CN111893338B - 一种梯度硬质合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯度硬质合金及其制备方法，采用少量活化剂锌粉作为载体，加入到碳化钨和钴粉中，混合均匀，高温下部分进行锌熔法，在Zn粉与Co粉接触界面，Zn粉和少量Co粉形成包裹Co粉的Co‑Zn液体合金，在表面张力的作用下，Co粉向内移动，从外向内逐渐增加。其工艺操作简单，容易控制，可实现工业化生产，制备的硬质合金性能好。

Description

一种梯度硬质合金及其制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金硬质合金生产技术创新发明，即可产业化，又能产生可观的经济效益。
背景技术
硬质合金是以高硬度难容金属碳化物粉末为硬质相，以CO、Ni等金属为粘接相，通过传统的粉末冶金方法制备而成的复合材料，硬质合金具有耐磨性、强度、韧性等综合性能强的特点，被广泛应用于切削工具、石油钻采、耐磨零件等领域。随着现在科学技术的发展，市场终端用户对硬质合金的使用成本、效率方面要求越来越高，传统的硬质合金难以满足同时高硬度、高韧性的要求，在硬质合金材料中，硬度和韧性是一对矛盾体，提高硬度的同时，就要降低韧性为前提，所以很多专家很早就提出了，既要提高硬度又要提高韧性的梯度材料，梯度硬质合金研究较多的是成分梯度，即粘接金属Co、Ni在产品中从外至里呈递增分布。
目前梯度硬质合金制备方法有好多专利报道，包括瑞典山特和美国犹他大学的渗碳法、分层压制成型法、熔体浸渗法。渗碳法主要控制碳在合金内部溶度不同，从而形成钴分布不同，此工艺复杂，很难控制，不易形成工业化生产；分层压制法，容易均质化，很难形成梯度，且合金容易变形；熔体浸渗法需要在高温下，将合金浸入熔体，能耗高且不易控制梯度，目前的这些梯度合金制备方法，都是工艺复杂，难于掌控，很难形成工业化生产。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种简单可行﹑容易控制﹑可形成工业化的梯度硬质合金及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种梯度硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)向碳化钨和钴粉中加入少量锌粉，配成钴含量为8％，锌含量大于0小于5％，总碳为5.3-5.8％的混合料，经湿磨混合，喷雾干燥制粒；
(2)在700-950℃预烧使得Co从内向外呈梯度分布，然后快速降温得到固相合金，保持Co的梯度分布状态；
(3)将步骤(2)得到的固相合金真空高温烧结，去除锌，冷却后得到梯度硬质合金。
具体地，步骤(1)中选取费氏粒度为1.0-4.0μm碳化钨,1.0-3.0μm钴粉，1.0-5.0μm锌粉。
进一步地，向混合料中加入合金圆柱体、湿磨介质和成型剂，在球料比为1-5:1，液料比为0.2-0.4L/kg的条件下，湿磨混合6-40h。优选地，湿磨介质为无水酒精，成型剂为56号石蜡。
进一步地，喷雾干燥制粒得到的颗粒粒度为60-150μm。
具体地，步骤(2)首先将喷雾颗粒压制成球齿产品，然后放入低压烧结炉烧结，预烧温度为700-950℃，加压1-6MPa，保温时间30-180min，氩气流量10—15升/min，断电，极冷至常温。
步骤(3)中将冷却后的固相合金真空烧结，升温至900-1200℃，保温30-100min，升温至1370-1430℃，保温30-100min，加压6-10MPa,断电，随炉冷却至常温。
上述方法制备的硬质合金，钴含量从外向内递增分布。
本发明采用少量活化剂锌粉作为载体，加入到碳化钨和钴粉中，混合均匀，高温下部分进行锌熔法，在Zn粉与Co粉接触界面，Zn粉和少量Co粉形成包裹Co粉的Co-Zn液体合金，在表面张力的作用下，Co粉向内移动，从外向内逐渐增加。活化剂的作用在于烧结温度达到活化剂和钴粉的共晶温度时，开始出现液相，活化剂液相湿润钴固相，液相依靠毛细管压力向钴颗粒表面移动，钴颗粒表面有薄薄的一层液相，它像润滑剂一样，使钴粉颗粒之间及钴粉与碳化钨颗粒之间的摩擦阻力急剧下降，由于表面张力的作用，液体力图降低气液表面自由能，使钴粉颗粒向更加紧密方向移动，改变了原来均匀分布结构，钴产生向中间收缩，而碳化钨颗粒不动，从而导致钴分布从外至里出现递增结果(反应在产品检测性能上：中心硬度低，边缘硬度高，钴含量从外之里呈递增分布)，最后除去活化剂，本发明利用这种机理来制备梯度硬质合金，工艺操作简单，容易控制，可实现工业化生产，制备的硬质合金性能好。
说明书附图
图1是实施例1制备的梯度硬质合金的能谱图。
图2是对比例1制备的硬质合金的能谱图。
图3是实施例2制备的梯度硬质合金的能谱图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明做进一步说明：
实施例1：
一种梯度硬质合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)选取费氏粒度为3.2μm，总碳为6.11％的碳化钨272.4KG，费氏粒度为1.2μm的钴粉24KG，费氏粒度为1.8μm的锌粉3.6KG，构成钴含量为8％，锌含量为1.2％，总碳为5.548％的混合料。
(2)将步骤(1)混合料放入300升可倾式湿磨机，加入1.2吨合金研磨棒，90升无水酒精，6.6KG 56号石蜡，湿磨32小时，得到湿磨浆料。
(3)卸出上述料浆，喷雾干燥制粒，制成粒径为80-150μm的颗粒。
(4)将上述颗粒压制成球齿产品，用低压炉脱蜡预烧，氩气流量10L/min，预烧温度900℃(锌钴共晶温度)，保温60min，加压2MPa，断电，打开炉内风扇极冷至常温，保持梯度分布的完整性。
(5)再将上述产品真空烧结，升温至1000℃，保温60min，升温至1400℃保温60min，加压6MPa，将锌蒸发脱除，烧结硬质合金，得到梯度硬质合金。
(6)由江西省钨与稀土产品质量监督检验中心对制备的梯度硬质合金进行检测，产品检测性能指标如下：
Figure BDA0002580404500000031
对比例1(对比试验，不加活化剂)：
一种硬质合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)选取费氏粒度为3.2μm，总碳为6.11％的碳化钨276KG,费氏粒度为1.2μm的钴粉24KG，作为钴含量为8％，总碳为5.621％的混合料；
(2)将步骤(1)混合料放入300升可倾式湿磨机里，加入1.2吨合金研磨棒，90升无水酒精，6.6KG石蜡，湿磨32h。
(3)卸出上述料浆，喷雾干燥制粒，制成粒径为80-150μm的颗粒。
(4)将上述混合料压制成球齿产品，用低压炉脱蜡烧结，氩气流量10L/min，烧结温度1400℃，保温60min，加压6MPa，得到硬质合金。
(5)由江西省钨与稀土产品质量监督检验中心对硬质合金进行检测，产品检测性能指标如下：
Figure BDA0002580404500000032
Figure BDA0002580404500000041
实施例2：(活化剂含量改变)
一种梯度硬质合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)选取费氏粒度为3.2μm，总碳为6.11％的碳化钨268.8KG,费氏粒度为1.2μm的钴粉24KG，费氏粒度为1.8μm的锌粉7.2KG，构成钴含量为8％，锌含量为2.4％，总碳为5.475％的混合料。
(2)将步骤(1)选取的混合料放入300升可倾式湿磨机里，加入1.2吨合金研磨棒，90升无水酒精，6.6KG56号石蜡，湿磨32小时，得到湿磨浆料。
(3)卸出上述料浆，喷雾干燥制粒，制成粒径为80-150μm的颗粒。
(4)用上述混合料压制成球齿产品，用低压炉脱蜡预烧，氩气流量10L/min，预烧温度900℃(锌钴共晶温度)，保温60min，加压2MPa，断电，通入氩气极冷至常温。
(5)再将上述产品真空烧结，升温至1000℃，保温60min，升温至1400℃保温60min，加压6MPa,将锌蒸发脱除，烧结硬质合金，得到梯度硬质合金。
(6)由江西省钨与稀土产品质量监督检验中心对梯度硬质合金进行检测，产品检测性能指标如下：
Figure BDA0002580404500000042
实施例3：
一种梯度硬质合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)选取费氏粒度为3.2μm，总碳为6.11％的碳化钨262.5KG，费氏粒度为1.2μm的钴粉24KG，费氏粒度为1.8μm的锌粉13.5KG，构成钴含量为8％，锌含量为4.2％，总碳为5.346％的混合料。
(2)将步骤(1)混合料放入300升可倾式湿磨机，加入1.5吨合金研磨棒，90升无水酒精，6.6KG 56号石蜡，湿磨6小时，得到湿磨浆料。
(3)卸出上述料浆，喷雾干燥制粒，制成粒径为60-120μm的颗粒。
(4)将上述颗粒压制成球齿产品，用低压炉脱蜡预烧，氩气流量10L/min，预烧温度950℃，保温60min，加压2MPa，断电，通入氩气极冷至常温。
(5)再将上述产品真空烧结，升温至1000℃，保温60min，升温至1400℃保温60min，加压6MPa，将锌蒸发脱除，烧结硬质合金，得到梯度硬质合金。

Claims (4)

1.一种梯度硬质合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)向碳化钨和钴粉中加入少量锌粉，配成钴含量为8％，锌含量大于0小于5％，总碳为5.3-5.8％的混合料，经湿磨混合，喷雾干燥制粒；
(2)首先将喷雾颗粒压制成球齿产品，然后放入低压烧结炉烧结，预烧温度为700-950℃，加压1-6MPa，保温时间30-180min，氩气流量10—15升/min，断电，极冷至常温；
(3)将冷却后的固相合金真空烧结，升温至900-1200℃，保温30-100min，升温至1370-1430℃，保温30-100min，加压6-10MPa,断电，随炉冷却至常温。
2.根据权利要求1所述的梯度硬质合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中选取费氏粒度为1.0-4.0μm碳化钨,1.0-3.0μm钴粉，1.0-5.0μm锌粉。
3.根据权利要求2所述的梯度硬质合金的制备方法，其特征在于，向混合料中加入合金圆柱体、湿磨介质和成型剂，在球料比为1-5:1，液料比为0.2-0.4L/kg的条件下，湿磨混合6-40h。
4.根据权利要求3所述的梯度硬质合金的制备方法，其特征在于，喷雾干燥制粒得到的颗粒粒度为60-150μm。
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